澳洲幸运10的玩法

科學封面

科學封面(第28期)丨科學美:光讓一片金箔在空中翩翩起舞

編輯:葉鑫 來源:學術委員會 時間:2019年03月11日 訪問次數:3846  源地址


試想一下,撥動一塊放在鉛筆上的硬紙片,紙片能繞著鉛筆一直旋轉么?不能。但是,在尺度縮小一百萬倍的微觀世界里,事情就變得不太一樣了。誕生于浙江大學現代光學儀器國家重點實驗室的一支圓圈舞,今天登上了ScienceAdvances雜志:“舞者”是一片納米金箔,只有拇指指甲蓋的百萬分之一大,“舞臺”是一根粗細約頭發絲50分之一的光纖,在光的驅使下,金箔繞著光纖一圈圈地旋轉,“舞步”輕快。這是人們第一次實現用光在空氣和真空中驅動微米金箔繞光纖旋轉,在此之前,這支舞根本跳不起來,或者只能在液體環境中才能實現。

 

評論認為,這支“舞”為人們下一步研究納米機器人提出了嶄新的思路。論文第一作者為浙江大學光電科學與工程學院博士生盧錦勝,通訊作者為仇旻教授,浙江大學為第一完成單位。論文合作者還包括浙江大學李強教授,新加坡國立大學仇成偉教授,浙江大學博士生洪宇,以及浙江大學助理教授Pintu Ghosh。


微觀世界,寸步難行


納米機器人給人展示了美好的應用前景,而光,是理想的“動力”。因為光具有動量,作用在物體上時可以產生推力。但在微觀世界,在干燥的環境下,光要施展伸手,必須面對一個強勁的對手——表面粘附力,也叫范德華力。壁虎能夠穩穩地吸附在墻面,便是腳上的微納結構與墻壁之間的范德華力所致。

 


“你可以想象,如果把一個人縮小一千萬倍到納米尺度,此時表面粘附力變得非常強,比重力大幾個數量級,人就會像被一塊粘蟲板黏住,變得寸步難行。”圈圈舞的“導演”盧錦勝說。

 

相比強大的粘附力,微弱的光力小了幾個數量級,要想用光力來驅動物體,顯得杯水車薪。此前,人們試圖借助液體的浸潤來消除這種粘附力,從而實現光推動物體。但是在空氣或者真空中,人們還沒有想出對付粘附力的辦法。“在我們的研究中,我們讓納米材料帶著‘鐐銬’起舞。”仇旻說。他們的思路是將之前人們認為束縛納米器件運動的粘附力巧妙地轉化為“起舞”的動力。


借力使力,完美旋轉

 

“受尺蠖運動的啟發,我們靠‘借力’突破了這個難題。”盧錦勝解釋了金箔旋轉背后的原理:金箔會吸收光會產生熱,當光以脈沖形式一亮一滅,金箔迅速受熱膨脹然后收縮,這瞬間的一伸一縮,激起了金箔表面的彈性波,這就如同一根竹竿在平靜的水面上一拍就會激起水波一樣。“在葉片表面蠕動的蟲子,身子會一伸一縮,再借助與葉片的摩擦力就能向前運動。這片金箔就像一只納米爬蟲,借助一伸一縮的表面彈性波以及與光纖之間的粘附力,從而使整個身子往前挪動,繞著光纖‘爬行’”。

 

 

金箔在光的驅動下繞著光纖旋轉器件示意圖


值得一提的是,由于表面的強粘附力,使得金箔牢牢地附著在光纖表面,一個光脈沖會驅動金箔挪動一點點,使用一系列光脈沖就能讓金箔做步進運動。金箔的運動可以非常精確地控制,精度能達到亞納米量級。這一點優于之前絕大多數光力操縱的工作,比如用光鑷操縱在液體或者完全懸浮在空中的物體,由于布朗運動,物體并不是被牢牢地被控制,而是在捕獲的位置附近做小幅度(納米甚至微米量級)無規則的運動,因此這種情況下無法很精確地操縱物體的運動。


據了解,這是人們第一次在非液體環境中實現光驅動納米器件在物體表面做旋轉運動。Science Advances評審專家說,“這項工作為在干燥環境中實現旋轉自由度控制之一長期難題帶來了光明(doing so, they bring light to a long-standing problem of controlling the rotational degree of freedom in a dry environment)”。“到目前為止,絕大部分光驅動旋轉是通過光與物體的動量交換實現的,通常需要在液體的環境下才能實現。而我們采用了一種相對特殊的光與物質相互作用方式——光致表面彈性波,實現了在非液體環境下驅動物體。之前認為不利于運動的表面粘附力在這里成為了驅動物體運動的必要因素,這是反直覺的。”仇旻課題組還嘗試了通過改變脈沖頻率來改變金箔的旋轉速度,并用光學顯微鏡和電子顯微鏡記錄了它在空氣和真空中翩翩起舞的樣子。在此之前,仇旻課題組還實現了在光纖表面用光驅動金箔做往復移動(Phys. Rev. Lett. 118, 043601 (2017))。

 

實驗中微米金箔在納秒脈沖光的驅動下繞著微米光纖連續旋轉的光學顯微鏡(上)和電子顯微鏡(下)序列幀圖


這個納米級旋轉運動器在各個領域提供了前所未有的應用場景,例如外太空光機電系統,能量轉換,真空高精度力學等。該成果未來具體可能會應用在微型激光雷達系統、激光掃描顯示系統以及全光集成控制系統中,高精度地控制微型旋轉鏡的運動。相關學者認為,這種新的光驅動現象的發現將啟發關于光學驅動和操縱一系列新的探索。

 

論文鏈接:http://advances.sciencemag.org/content/5/3/eaau8271


(科學撰稿人:周煒 盧錦勝)


總訪問量:10743231
澳洲幸运10的玩法 重庆时时彩开奖直播 90期金吊桶推荐六肖 北京时时官网 快三单双大小规律怎么算 北京十pk高频开奖记录 买足球竞彩有什么技巧 325棋牌游戏 玩快三怎么选大小单双 球探比分网足球即时比 云南时时是真的吗